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5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合

發(fā)布時(shí)間:2020-09-15 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】當(dāng)2016年推出100 W(USB3.0)充電時(shí),消費(fèi)者搖了搖頭。“誰(shuí)會(huì)需要那么大的功率,而大多數(shù)智能手機(jī)都可以用10 W充電?
 
好吧,如果在2020年最近發(fā)布的5G手機(jī)浪潮預(yù)示著未來的跡象,45 W智能手機(jī)充電器將會(huì)是司空見慣。
 
而隨著充電功率的提升,效率的重要性也在增加。USB-C (又稱USB Type C) 最新的PD 3.0規(guī)范,尤其是可編程電源(PPS),是目前市場(chǎng)上效率最高的充電方案,也正因如此,將成為未來智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電的首選。
 
 
PD 3.0 (PPS) 比PD 2.0優(yōu)勝之處
 
PD 2.0允許最多7個(gè)功率數(shù)據(jù)對(duì)象(PDOs),用于揭示源端口的電源能力或匯源的功率需求,通過USB-C、CC引腳在PD信息中傳輸。
 
相比之下,PD 3.0,PPS提供了圖1所示的“電壓和電流范圍”PDO。
 
PPS的優(yōu)勢(shì)在于,與固定PDO相比,可以“更細(xì)粒度”地請(qǐng)求電壓/電流。這有助于優(yōu)化電源和功率耗散器之間的充電效率。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖1
 
5G 智能手機(jī)電池尺寸
 
最近發(fā)布的一款5G智能手機(jī)配備了6.9英寸的屏幕和5000 mAh鋰離子電池容量,比之前的型號(hào)容量增加了25%。我猜測(cè)屏幕尺寸和5G都對(duì)增加電池尺寸起作用。
 
但無論如何,電池體積增加25%,意味著需要AC-DC旅行適配器(TA)提供更多的電量,才能繼續(xù)宣稱 "快速充電"。而USB-C PPS是達(dá)標(biāo)的合理選擇。
 
快充
 
“快速充電”這個(gè)詞經(jīng)常被提到。傳統(tǒng)上,鋰離子充電可以在0.7 充電速率(C-rate)下安全完成。C-rate是簡(jiǎn)單的充電電流除以電池容量。例如,0.7 C速率的充電電流對(duì)1000 mAh的電池來說是700 mA。
 
但是,通常將一塊空電池從0%充電到50%的充電狀態(tài)(SoC)需要約45分鐘(圖2)的充電時(shí)間(TTC)。這并不是那么快。
 
而且,您不能簡(jiǎn)單地通過“提高電流”來改善TTC。以1-C速率給電池充電,而其數(shù)據(jù)表上寫的是0.7 C速率,這將導(dǎo)致電池過早老化,或可能導(dǎo)致永久性損壞。
 
請(qǐng)記住,根據(jù)其數(shù)據(jù)表,鋰離子電池必須在至少500次充電循環(huán)周期后保留至少80%的原始容量。
 
更快的充電時(shí)間(TTC)意味著更多的電量
 
為了改善TTC,電池制造商正在設(shè)計(jì)大于1 C速率的充電電池,或更快的充電。
 
這主要需要降低電池的內(nèi)部阻抗,以延長(zhǎng)充電曲線在電池電壓達(dá)到最大電壓和充電曲線轉(zhuǎn)換到恒定電壓(CV)模式之前保持在恒定電流(CC)模式的時(shí)間(假設(shè)您從空電池開始充電)。
 
如圖2所示,通過以1 C速率與0.7 C速率充電,可以將0-50%的SoC TTC縮短15分鐘,如果采用1.5 C速率,則更快,可縮短至22分鐘。
 
不過,5000 mAh電池的1.5 C速率需要進(jìn)行7.5 A充電和32.6 W(4.35 V×7.5 A)峰值充電功率。這在一個(gè)小空間里是很多的電量。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖2
 
我并不了解最近發(fā)布的5G智能手機(jī)內(nèi)部的實(shí)際充電情況,但它確實(shí)在發(fā)貨時(shí)配備了一個(gè)25 W PPS充電器,并宣傳該手機(jī)接受45 W PPS充電器配件(圖3)。
 
如果我從45 W的旅行適配器開始,并假設(shè)從墻壁到電池的能效為80%左右(大概),那我就有~36 W的電量進(jìn)入電池。~36W與計(jì)算出的32.6 W所需的~22分鐘、0%至50% SoC的充電時(shí)間相差不大,如上圖2所示。
 
值得一提的是,由于USB-C連接器的最大電流是5 A,為了達(dá)到7.5 A的IBAT,在5G手機(jī)內(nèi)部的USB Type-C連接器和電池充電器之間需要一個(gè)“除以2”的充電泵。
 
例如,TA可能輸出10 V/4 A,而電荷泵將輸出5 V/8 A(假設(shè)理想的功率損耗)。這有時(shí)被稱為HVLC(高電壓、低電流)。
 
正如物理學(xué)告訴我們的那樣,功率耗散是I2R ,所以從TA到手機(jī)(約1米長(zhǎng)的電纜)以HVLC,比LVHC(低電壓高電流)的方式輸送功率是有好處的。
 
而隨著Type C連接器的到來,USB-C PD 2.0將VBUS最大電壓從5 V提高到20 V,實(shí)現(xiàn)了HVLC的方式。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖3
 
嗅探筆記本PD 2.0流量
 
我可能無法測(cè)量電池充電器和電池之間的實(shí)際5G智能手機(jī)IBAT電流,但我可以用Total Phase®的PD嗅探器測(cè)量TA和5G智能手機(jī)之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。
 
但在我這樣做之前,讓我們?cè)诠P記本電腦和FUSB3307 USB Power Delivery 3.0自適應(yīng)源充電控制器60 W評(píng)估板(EVB)源之間嗅探VBUS/IBUS的PD 2.0,如下圖4所示。
 
在此設(shè)置中,筆記本電腦PD 2.0 Sink和FUSB3307 EVB PD 3.0源之間使用一條5 A電纜??傁辔恍崽狡髋cFUSB3307 EVB和5 A電纜串聯(lián)插入。
 
連接后,F(xiàn)USB3307 EVB以4個(gè)固定PDO和3個(gè)PPS(增強(qiáng)型)PDO的形式宣傳其源能力。筆記本要求的是20 V/3 A的固定PDO,但最多只需要1.5 A。FUSB3307接受筆記本電腦的請(qǐng)求,電源合約完成。
 
在圖5中,您可看到VBUS(紅色)步入20 V,隨著筆記本電腦啟動(dòng)(從空電池開始),動(dòng)態(tài)IBUS電流(藍(lán)色)上升到~1.3 A,或~30 W。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
 
嗅探5G智能手機(jī)PD 3.0 PPS流量
 
現(xiàn)在讓我們把注意力轉(zhuǎn)向圖6和圖7,我將筆記本電腦與5G智能手機(jī)替換,源頭用100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。
 
5G智能手機(jī)最初請(qǐng)求并獲得一個(gè)5 V固定PDO,但大約7秒后,5G智能手機(jī)請(qǐng)求并獲得一個(gè)PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。
 
5G智能手機(jī)立即進(jìn)入一個(gè)算法,即每隔210 msec將其請(qǐng)求的電壓(紅色)從8 V遞增到9.28 V,以40 mV的步長(zhǎng)遞增,同時(shí)在約7秒的時(shí)間內(nèi)將電流(藍(lán)色)從2 A遞增(下沉)到4 A。而在整個(gè)充電過程中,5G智能手機(jī)還在繼續(xù)與FUSB3307源進(jìn)行通信。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
 
5G智能手機(jī)PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對(duì)比
 
筆記本電腦表現(xiàn)出的PD 2.0流量雖然有效,但相對(duì)簡(jiǎn)單。在附加的第1秒內(nèi),一個(gè)20 V/1.5 A的電源合約被協(xié)商并授予,沒有再觀察到PD流量。帶PPS的5G智能手機(jī)表現(xiàn)完全不同。
 
5G智能手機(jī)是一個(gè)復(fù)雜算法的主人,它不斷指示FUSB3307源改變其電壓輸出,因?yàn)?G智能手機(jī)巧妙地提升了其負(fù)載電流。
 
5G智能手機(jī)/FUSB3307的峰值功率是在附加后約60秒觀察到的,為37.68 W(9.6 V/3.925 A)。這與我估計(jì)的以1.5 C速率給電池充電所需的功率相差不大,或者說在電池上充電所需的功率為32.6 W (圖2),以實(shí)現(xiàn)約22分鐘(0%至50%SoC)的TTC?,F(xiàn)在這就是快速充電。
 
高效快充的 "A、B、C",以及PPS
 
5G和更大的屏幕推動(dòng)了智能手機(jī)電池的增大,再加上客戶對(duì) "快充 "的期待,對(duì)旅行適配器的功率要求更高,以最近發(fā)布的5G智能手機(jī)為例,功率達(dá)到45 W。
 
然而,功率耗散的增加將以熱量的形式跟蹤這種功率的增加。所以,現(xiàn)在能效變得比以往更加關(guān)鍵,這就是PPS的作用。
 
如果我們檢閱圖8的通用“墻到電池”鋰離子充電框圖,其目標(biāo)是通過PMIC向系統(tǒng)提供電源,并通過電源路徑FET,將1S電池從空電(約3 V)充電到滿電(4.35 V)。
 
無論采用何種技術(shù)(開關(guān)式、線性式或旁路式),如果電池充電器的輸入電壓(B)略高于其輸出電壓(C),或 VBAT,那么電池充電器總是會(huì)以更高的能效工作。
 
而更復(fù)雜的是,VBAT總是一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo),原因有二:
 
1)電池電壓在從空電到滿電的充電過程中會(huì)上升,并且...
2)電池電壓隨著異步負(fù)載的變化而升降。
 
為了優(yōu)化能效,旅行適配器(TA)的輸出(A)電壓需要由Sink的MCU嚴(yán)格控制,現(xiàn)在MCU成為“充電算法主法”。
 
在通過電量計(jì)讀取VBAT和感測(cè)電荷泵VOUT之間,MCU策略管理器可以通過CC引腳,以20 mV的顆粒度(PPS)嚴(yán)密控制帶有PD協(xié)議信息的TA VOUT。
 
通過添加PPS,移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)在可以為更大的電池充電,更快、更安全、更高效。FUSB3307 EVB(圖9)成功支持5G智能手機(jī)的復(fù)雜PPS充電算法。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖8
 
FUSB3307 評(píng)估板(EVB)
 
FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V直流輸入,并提供5 V – 20 V USB PD輸出,符合PD 2.0和PD 3.0規(guī)范,包括與可編程電源(PPS)。
 
FUSB3307是一款基于狀態(tài)機(jī)的PD控制器和USB-C端口控制器。因此不需要MCU,也不需要開發(fā)固件。而且沒有固件意味著防篡改,這在醫(yī)療應(yīng)用中是有利的。只需將其焊接下來,就能自主運(yùn)行。
 
FUSB3307狀態(tài)機(jī)包括PD策略管理器,并通過FUSB3307 CATH輸出引腳驅(qū)動(dòng)Comp輸入來控制NCV81599降壓-升壓。FUSB3307還自主控制VBUS FET。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖9
 
 
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